[AtomEdge Pro Anwendungsfall] Erzielung von Nanometer-Präzisionsabbildung von Raumtemperatur-Skyrmionen in MTJs

Im Bereich der Spintronik und des magnetischen Random-Access-Speichers (MRAM) der nächsten Generation gelten magnetische Skyrmionen aufgrund ihrer einzigartigen topologischen Stabilität und der geringen Stromdichte als Kernkandidaten für den Bau zukünftiger Hochleistungs-Informationsgeräte. Die direkte Beobachtung und präzise Charakterisierung dieser nanoskaligen magnetischen Strukturen in magnetischen Tunnelübergangs- (MTJ-) Stapeln unter Raumtemperaturbedingungen und kompatibel mit tatsächlichen Geräten stellt jedoch nach wie vor eine zentrale Herausforderung in diesem Bereich dar.

Kürzlich haben wir mit dem AtomEdge Pro-Rasterkraftmikroskop (AFM) erfolgreich die direkte Visualisierung und Charakterisierung der Existenzzustände von magnetischen Skyrmionen und Labyrinthdomänen innerhalb eines komplexen SAF/MgO/[Ta/Co/Pt]-₉ MTJ-Stapels bei Raumtemperatur erreicht, was einen entscheidenden Schritt in Richtung der Anwendung topologischer magnetischer Strukturen aus der Grundlagenforschung darstellt.

Testprobe:

Der SAF/MgO/[Ta/Co/Pt]-₉ ist eine komplexe magnetische Mehrschicht-Dünnfilm-Heterostruktur, deren präzises Stapeldesign darauf abzielt, die Bildung von Skyrmionen zu induzieren.

Wichtigste Ergebnisse: Mit dem Magnetkraftmikroskopie- (MFM-) Modus des AtomEdge Pro haben wir innerhalb eines 10µm * 10µm großen Scanbereichs deutlich das gleichzeitige Vorhandensein von Skyrmion- und Labyrinthdomänen-Magnetdomänenstrukturen auf der Probenoberfläche aufgedeckt.

Quantitative Analyse: Um die Strukturen präzise zu charakterisieren, führten wir eine Linienprofilanalyse der Bilder durch. Die Daten zeigen:

Der Durchmesser des durch die rote Linie markierten Skyrmions beträgt 234 nm (siehe Abbildung b).

Die Domänenbreite der Labyrinthdomäne beträgt 217 nm (siehe Abbildung c).

Dieses Ergebnis demonstriert nicht nur visuell die beiden Magnetdomänenmorphologien, sondern liefert auch sub-Nanometer-Präzisionsmessungen ihrer Größen und liefert wertvolle Realraum-Beweise für das Verständnis ihrer Entstehungsmechanismen und ihrer Stabilität.

Traditionelle makroskopische magnetische Charakterisierungstechniken (wie Vibrating Sample Magnetometry, Magneto-Optical Kerr Effect Microscopy) sind durch die räumliche Auflösung begrenzt, was eine Feininbildgebung von nanoskaligen magnetischen Texturen wie Skyrmionen erschwert. Die Hauptgründe, warum AtomEdge Pro in dieser Studie eine entscheidende Rolle spielte, liegen in seinen technischen Kernvorteilen:

Ultrahohe räumliche Auflösung: AtomEdge Pro verwendet hochempfindliche magnetische Sonden, um Veränderungen des Magnetkraftgradienten auf der Probenoberfläche präzise zu erfassen, was eine räumliche Auflösung im Nanobereich ermöglicht.

Genaue quantitative Charakterisierung: Es "sieht" nicht nur, sondern "misst auch genau". Durch präzise Datenanalyse von MFM-Bildern können wichtige physikalische Parameter wie Domänengröße, -verteilung und -morphologie extrahiert werden, was zuverlässige experimentelle Daten für theoretische Berechnungen und das Gerätedesign liefert.

Leistungsstarke Probenkompatibilität: Der hier getestete MTJ-Stapel ist eine Mehrschichtfilmstruktur, die auf praktische Anwendungen ausgerichtet ist. AtomEdge Pro führte erfolgreich eine zerstörungsfreie, hochauflösende Charakterisierung durch und demonstrierte damit seine starke Anwendbarkeit bei der Untersuchung komplexer Proben auf Geräteebene.

Dieser erfolgreiche Test demonstriert nicht nur eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit des AtomEdge Pro, sondern hat auch eine erhebliche Bedeutung für verwandte Forschungsbereiche:

Fortschritte in der MRAM-Forschung: Die Realisierung und direkte Beobachtung von Skyrmionen in magnetischen Tunnelübergängen ist der Schlüssel, um ihr Potenzial in Informationsgeräte der neuen Generation umzusetzen. AtomEdge Pro liefert entscheidende Realraum-Beweise für die Überprüfung ihrer Existenz, das Verständnis ihres Verhaltens und letztendlich die Verbindung mikroskopischer magnetischer Strukturen mit makroskopischen elektrischen Eigenschaften.

Ermächtigung des topologischen Magnetismus: Als Kerncharakterisierungswerkzeug für die Forschung an topologischen magnetischen Strukturen kann AFM zuverlässige Daten zur Unterstützung der Erforschung der Entstehungsmechanismen, der Stabilität und der Geräteintegration von Skyrmionen liefern und den Übergang von der Grundlagenphysik zu angewandten Geräten beschleunigen.

Erweiterung der Grenzbereichsanwendungen: Die in dieser Forschung demonstrierte Fähigkeit kann in hochmodernen Technologiebereichen wie neuromorphem Rechnen, gehirninspirierter intelligenter Hardware, Hochfrequenz-Mikrowellenkommunikation und Sensorsystemen weit verbreitet eingesetzt werden.

Wir glauben, dass eine präzise Charakterisierung der Grundstein des wissenschaftlichen Fortschritts ist. Das AtomEdge Pro-Rasterkraftmikroskop ist bestrebt, Forschern weltweit leistungsstarke Analysewerkzeuge im Mikromaßstab zur Verfügung zu stellen, die Ihnen helfen, klarer zu sehen und in der Grenzbereichserkundung weiter zu gehen.

Um mehr über die Anwendungen von AtomEdge Pro in magnetischen Materialien, Spintronik und anderen hochmodernen Bereichen zu erfahren, können Sie sich gerne für einen technischen Austausch oder zur Beantragung von Probentests an uns wenden.